第五章时间分析(1)

第五章时间分析§1概述§2定时方法§3符合§4时间量变换方法§5脉冲波形甄别核激发态寿命测量；正电子湮没寿命测量；正电子发射断层扫描；高能粒子径迹探测；粒子鉴别；符合技术与反符合技术；中子飞行时间望远镜测量法；§1.概述一、时间信息分析所要解决的基本问题二、时间信号的检出一、时间信息分析所要解决的基本问题1、时间间隔甄别时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别器的基本功能2、时间间隔测量时间间隔测量应用实例时间分析器的基本功能时间间隔甄别应用实例电子正电子对撞实验中，产生μ+和μ-的事例ee•探测器D1和探测器D2相距有几十米以上，对称排布，用来测定子。•因为+和-的动量相等，且对面碰撞，根据动量守恒定律，和飞行方向相反，飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应几乎同时分别击中D1和D2。•随着击中D1和D2位置不同信号S1和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值为5ns，那么S1和S2时间间隔小于5ns的事例应该是+和-事例的的一个“候选”条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统，D1和D2是先后被击中，S1和S2的时间间隔将会大于5ns，不满足此“候选”条件，应该被排斥掉。•需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择。时间间隔甄别器的基本功能N个信号加入它的输入端为u1,u2….ui….uN-1,uN，它们分别在ti（i=1,2…N）时刻到达甄别器的输入端，其中任意一对信号间的时间差都满足：-1ti－tj2(1,20）在输出端产生逻辑信号输出，只要有任意一对信号不满足上述条件，将不产生输出。•经常遇到的情况是处理二个输入信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输入信号到达的时间分别为t1和t2，若满足-1t1－t22(1,20）在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出。1＋2为其分辨时间。选择1=2=，则分辨时间为2（或称为符合时间窗宽）。•具有这种功能的电路通常称为符合电路，1＋2为其分辨时间。（也就是时间间隔阈值）。时间间隔测量应用实例飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统，用来测量带电粒子的飞行时间，其主要功能是通过所测量粒子的飞行时间信息，结合其它探测器测得粒子的动量和径迹，从而辨别粒子的种类。测量探测器的信号和e+e-的作用发生时刻之间的时间间隔，就可以测量到粒子的飞行时间信息。时间分析器的基本功能由时间间隔编码器与数据获取系统组成的时间分析器，用来完成时间间隔测量。时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，通常称它为时间－数字转换器（TDC,TimetoDigitConversion）。输出端的数码值为其中T0为LSB所对应的时间间隔。TDC的输出再送到数据获取系统进行数据采集与存储，它的功能与多道幅度分析器中数据获取系统相同。102LiiiAm0012,TmTtt其中探测器定时电路时间-数字变换启动停止输出时间信息参考时间信号放大器定时道的组成无论是送到符合电路还是送到TDC的信号，要求它的出现时刻与粒子击中探测器的时刻能精确地相对应。事件的产生到信号进入时间信息分析电路之间，大体上如以下过程所示：核事件产生粒子（t1时刻)→探测器被击中（t2时刻）→探测器信号输出（t3时刻出现信号）→电子学电路信号处理（前放（t4时刻）放大、成形（t5时刻））→时检电路检出信号（t6时刻）送到时间信号分析电路或符合电路输入端（t6时刻出现信号）。时间信号的检出ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件发生t2：粒子进入探测器t3：产生的电流脉冲t4：前置放大器输出的电压脉冲t5：主放大器输出的电压脉冲t6：定时甄别器输出的脉冲在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以下几点需要考虑：1.延迟。t3在t2之后一定时间之后出现2.展宽。实际的电流信号不是一个信号3.涨落。(t3-t2)是一个随机量，而且信号形状也会随机变化。定时电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。时间信号的检出§2定时方法一、产生时间晃动的几个主要因素二、时间晃动大小的度量三、前沿定时甄别器-固定阈值甄别器四、恒比定时甄别器（CFD）五、幅度和上升时间补偿定时（ARC）一产生时间晃动的几个主要因素输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃动主要有以下几个因素：1、探测器的固有晃动。2、噪声引起时检电路输出的时间晃动。3、幅度时间游动效应。4、上升时间游动效应。5、超阈延迟以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响是不相同的，因而要具体加以分析，分清主次。着重分析幅度和上升时间游动效应产生的时间晃动及其解决办法。探测器的固有晃动不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样，它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器内运动途径不同造成的。例：闪烁体和光电倍加管（PMT）组成的闪烁计数器，由于粒子击中的位置不同使光传输到PMT的时间不同，使得其输出信号的时间发生差异，而击中的位置往往是随机的，因而信号输出的时间产生时间晃动。噪声引起时检电路输出的时间晃动噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出的时间晃动。2vnoVT2σT1tTt2vnovVT2σT2tTt噪声叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响幅度时间游动效应•不同幅度经过时检电路之后在输出时间上产生差异，探测器输出信号幅度的随机变化造成了时间上晃动，称为幅度时间游动效应。上升时间游动效应不同上升时间的信号经过时检电路之后会产生在输出信号时间上差异，而有些探测元件输出信号上升时间也存在随机变化，这也就带来了时检电路的输出信号在时间上晃动。这称为上升时间游动效应。超阈延迟任何触发器都存在超阈延迟。VTVTtL1tL2ΔVvi(t)ΔtD二时间晃动大小的度量时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差td=（t0’-t0）是随机量，它服从一定的分布规律，td的概率密度函数为Pd（td），可以得到各级矩：级矩二级矩一级矩ndttPtttdttPtttdttPtttdddndndnddddddddddddd002220)()()(由此推知td的随机变化情况，来度量的晃动大小。一般可以假设td服从高斯分布，和是关键参量dt2)(ddtt作为时间晃动的度量dddddddtddttPtttt)()()(202222二个信号时间间隔及其晃动量)()(120102'01'02ddtttttt)()(120102ddtttt2221212122)]()[(tdtdddddtttt0101102022ttttttdd时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量时间晃动实验测量在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源（60Co源，几乎是同时发射两个粒子[1和2]）；测量计数随τ（即时间间隔）值变化曲线，图中求得和半高全宽时间FWHMtd,时间晃动为tdtdFWHM35.21dt三前沿定时甄别器-固定阈值甄别器1、前沿定时特性分析2、基本电路结构触发电路VT输入信号输出信号vivovitVTvottL前沿定时特性分析（一）将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示：0()immimmVttttVtVtt输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：tttid其中ti为输入信号从出现到上升为VT所需时间，t为渡越时间，也就是超阈延迟时间，假定在快甄别器情况下，t很小，暂不加以考虑。在Vi由Vi1变为Vi2时，则输出信号对输入信号的时间延迟差td=(t2-t1)应为：VoΔtd随Vi变化而发生变化称为幅度时间游动效应。显而可见VT和tm越小，Δtd变化量就越小，幅度时间游动效应就越小。miTmiTtVVttVVt2211TmiiiidVtVVVVttt211212TmiiiiLAVtVVVVtminmaxminmax当VimaxVimin,VT=Vimin时：mLAttVo若输入信号最大幅度为Vimax，最小幅度为Vimin则因幅度变化引起的前沿定时误差为：•若达峰时间tm发生变化（也就是上升时间发生变化），延迟时间的变化为：12mmiTLTttVVt这称为上升时间游动效应。前沿定时特性分析（二）222111miTmiTtVVttVVtminmaxmmiTLTttVVt同时考虑输入信号的幅度变化和上升时间变化，则前沿定时的时间移动为：maxminminmaxmaximimTLVtVtVt222111miTmiTtVVttVVt12tttL1122miTmiTLtVVtVVt1122imimTLVtVtVt前沿定时特性分析（三）VTVTtL1tL2ΔVvi(t)ΔtD2121'22iMMDvSVStt超阈延迟：DtVS21TiVtvV)(dtdQZVidtZVtvQLLttiTi21)(dtVtvQZLLttTii21)(超阈延迟：触发器输入阻抗：Zi附加电荷：QMMDtVtVVMtMMMDDVttSVSt22VTt2vnoVT2σT1tTt2vnov2σT2tT噪声叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响)('1TinoTtvv)('2TinovTtvv)('2122212221TinovnoTTTtvvv噪声引起的总定时标准偏差为：TtiTidttdvtv)()('触发比和噪声斜率比maxiTVVf输入信号最大幅度触发电平nTiTvtv)('nTvV)3~2(一般地，兼顾噪声斜率及噪声的误触发，选用：3~2f噪声斜率比定时甄别器实例慢前沿定时甄别器：由集成电压比较器组成交流耦合施密特甄别电路。性能：当输入信号的幅度从1.0V变化到10V时，输出信号vo(t)的时移小于输入信号上升时间的20%当输入信号上升时间为1us，输出信号vo(t)的时移小于0.2us快前沿定时甄别器：由三个快速差分放大级，加正反馈组成甄别器。性能：当输入信号的幅度从0.1V变化到5V时，输入信号上升时间为2ns,输出信号的时移小于0.5ns基本电路结构高速运算放大器（例如THS3201、OPA847等）构成的施密特甄别器；高速比较器（例如AD96687）构成的截止式放大器型甄别器；双阈甄别电路。高速比较器AD96687构成的甄别器双阈甄别电路由于幅度效应，前沿定时会有较大的定时误差。降低甄别阈，是减少这一误差的重要措施。但甄别阈的减少将会明显引起噪声误触发，为此，设计了双阈甄别电路，采用低阈定时，高阈选通的方案，既可减少噪声影响，又由于甄别阈的降低，还可减少由于幅度效应引起的时间游动甄别器需要有稳定的阈电压。阈电压的产生程控设置的DAC提供。为了减少噪声和外部干扰的影响，得到稳定的阈电压，对DAC提供的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。过零定时为了克服前沿定时在输入信号幅度变化时引起时间移动太大的缺点。提出过零定时的基本思路：Vo)()(tAftviA：信号的幅度f(t)信号的形状函数过阈时间tT:0)(TTVtAf若要求过阈时间tT为常数：0TVf(t)为阶跃函数0TVf(t)为任意函数过零定时(CR)2–(RC)m成形过零点：)1(mtZ(DL)2成形过零点：)2()(dZiZittvtv过零定时电路wpZttt预置甄别器VT过零甄别器Vi(t)V1(t)V2(t)V3(t)Vo(t)ttttttZtZtZ过零定时电路优点：能消除输入信号幅度变化的时间移动。缺点：不能消除输入信号上升时间变化的时间移动。四恒比定时甄别器（CFD）恒比定时的基本思路恒比定时甄别原理恒比定时甄别器实现提出恒比定时的基本思路前沿定时除了由幅度游动效应引起较大晃动之